文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.013
中文引用格式: 胡毕炜,蔡文郁,温端强,等. 水下无人潜器回收测向搜寻仪[J].电子技术应用,2017,43(2):58-60,64.
英文引用格式: Hu Biwei,Cai Wenyu,Wen Duanqiang,et al. Direction-finding and searching instrument for autonomous underwater vehicle recovery[J].Application of Electronic Technique,2017,43(2):58-60,64.
0 引言
在海洋开发日益重要的现在,水下无人潜器AUV得到了各个国家的重视。但对于AUV而言,回收过程中会受到海流、海风等环境影响,预设的方向和距离会发生改变,因此回收过程中的精确定位会变得十分艰难[1]。目前AUV回收的定位方式有水声定位、卫星定位、电磁定位以及光学定位等[2],其中水声定位和卫星定位只适用于大致的远程定位,而AUV回收过程中关键的是近距离定位,必须满足很高的定位精度[3];电磁定位以及光学定位适用于近距离定位,但是电磁定位容易受到AUV本身的磁场干扰,必须避免在变磁场区域进行回收作业;光学定位会受到海水背景光、混浊度、折射等因素的影响,需要采取一定的措施(如过滤掉背景光),这不仅加大了成本,而且定位的精度也得不到保证[4]。
基于上述的研究现状,本文设计的无人潜器回收测向搜寻仪采用的定位方式是射频定位,射频定位指的是通过射频信号识别对象并完成对目标源的定位,该定位技术操控简易,受环境的干扰比较小[5],因此很适用于该搜寻仪的设计。整体系统的实际应用示意图如图1所示。
1 系统工作原理
整体搜寻仪内部框架图如图2所示。低噪声射频放大模块对天线接收的射频信号进行放大,放大增益能达到20 dB,并且噪声系数可以控制在1 dB以内;射频检波模块对放大的信号进行检波,最后将检波后的直流电压信号转换为信号强度或通信距离,并利用信号显示模块的数码管以及LED灯对其进行显示,按键负责对数码管显示内容进行切换。供电电源采用的是9 V可充电锂电池。
2 系统硬件
2.1 低噪声射频放大模块
低噪声射频放大模块框架如图3所示。模块电路原理图设计软件是美国Agilent推出的ADS仿真软件,主控芯片为ATF54143。该放大模块的设计预期指标是将频段为20 MHz~1 200 MHz的信号进行增益放大,增益可达20 dB以上,噪声系数可以控制在1 dB以内。
2.2 射频检波模块
射频检波模块框架如图4所示。该主控芯片采用的是一种真有效值响应的功率检测芯片AD8362,射频检波模块的预期设计指标是频率范围为50 MHz~3 800 MHz、功率在-80 dBm~20 dBm的射频信号变换成直流电压输出。
2.3 信号显示主控模块
信号显示主控模块的框架如图5所示。该模块设计预期目标是将范围为-80.0 dBm~20.00 dBm的信号强度值以及相对应的距离值能用四位数码管精确显示,主控芯片选择的是STM32F103CB。
3 系统软件
该系统的软件部分主要分为两部分:(1)低噪声射频放大模块中ADS软件仿真;(2)信号显示主控模块中的AD转换以及数码管驱动程序设计。
3.1 低噪声射频放大模块ADS软件仿真
低噪声射频放大模块中ADS软件仿真流程图如图6所示。
在该仿真流程中,最核心的部分是成品率仿真分析,首先给最终的ADS电路原理图增加YIELD 仿真器及YIELD 参数,随后对放大器在所设定目标下的合格率进行分析,并且保证元件参量变化符合正态分布。
3.2 信号显示主控模块相关程序设计
信号显示主控模块相关程序设计的流程图如图7所示。
在该模块的程序设计流程中,最关键的是对系统时钟、I/O口以及ADC的初始化配置,进而完成数码管、LED灯的驱动以及数据采集。相关代码在美国Keil Software公司的Keil软件上完成。
4 系统调试
为了保证实验数据的可靠性,测向搜寻仪的调试地点选在钱塘江旁的沿江大道。搜寻仪和天线的整体实物图、测试地图如图8所示。
在测试过程中,由于空间受限,信号收发源的位置距离最远只能达到1 000 m,测试过程中射频信号发射源采用的是频段为220 MHz~240 MHz、发射功率为5 W的数传电台。根据无线信道的衰减公式以及考虑到放大模块的20 dB增益和天线增益7.5 dBi,可以得到100 m、200 m、500 m及1 000 m处对应的接收信号强度标准值为-2.50 dBm、-8.52 dBm、-16.5 dBm及-22.5 dBm;并且通过该公式可以知道,当距离值为10 km时,接收到的信号强度值对应的距离值为-50 dBm,远远小于-80 dBm,因此理论上通信距离是可以达到10 km。整体回收测向搜寻仪的测向以及测距功能测试步骤如下:
(1)测向功能测试。在相同距离处通过调整天线转动方向,记录相应的信号强度值,并将得到的测试值和对应的标准值进行比较得到误差值,偏离角度分别与信号强度值、误差绝对值的关系如图9所示。
由图9可以知道,在相同距离的情况下,天线发射端转动后的方向与沿江大道方向偏离角度为0°时测得的信号强度值最大,并且测得值与标准值的误差最小,误差范围均达到预期指标±1 dBm以内;随着偏离角度绝对值θ的增大,测得的信号强度值会越小,相对应的误差值也越大。因此该测向搜寻仪测向功能是较为精确的。
(2)测距功能测试。在各个测试位置上通过测向找到最大信号强度的方向(即沿江大道方向)后,保持方向不变,通过观察数码管的显示来记录相对应的信号强度值,通过按键切换显示记录相对应的距离值,并将得到的测试值和标准距离值进行比较作误差分析。实际距离值分别与测试距离值、距离误差百分比的曲线变化图如图10所示。
由图10可以知道,测得距离值和实际距离值的变化曲线接近于斜率为1的线性直线,距离值的误差百分比最高大约为6.20%,并且当测试距离值慢慢变大,误差也会变小,因此该搜寻仪的测距功能是较为精确的。
5 结论
该搜寻仪的设计达到了预期的要求,实现了低噪声射频放大、射频检波、数码管驱动、信号强度以及距离显示等基本功能;工作适用频段较宽,可以支持不同频率的射频信号源;在测试过程中对目标定位精度较高,因此后续可以将该搜寻仪应用于实际海试测试,不断地对其功能进行完善优化。
参考文献
[1] 王智学.AUV回收时的运动控制方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.
[2] 潘光,黄明明.AUV回收技术现状以及发展趋势[D].西安:西北工业大学,2008.
[3] 王晓娟.基于视觉的AUV水下回收引导定位技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.
[4] 王雪峰,吕汝信.水下航行体位置指示及打捞、回收新技术研究[J].船舶工程,2002(4):52-55.
[5] 李向阳.一种定位系统射频发射前端设计与实现[D].成都:电子科技大学,2010.
作者信息:
胡毕炜,蔡文郁,温端强,张娟娟
(杭州电子科技大学 电子信息学院,浙江 杭州310018)